[发明专利]用于分段式挤出螺杆连接的花键设计方法

说明书

本发明公开了一种用于分段式挤出螺杆连接的花键设计方法，本方法首先定义花键参数，设外花键齿根圆直径为d，齿高为h，花键长度为L，花键齿数为n，齿宽为b，挤出螺杆分段处的截面直径为D，内花键齿根圆直径为（d+h）/2；根据第三强度理论计算得到外花键齿根圆直径d与挤出螺杆分段处的截面直径D的比值；根据花键齿数n和外花键齿根圆直径d计算齿宽b；根据比值得到在满足强度要求下最小的外花键齿根圆直径d，并选择所对应的齿高h；通过有限元分析确定花键长度L。本方法依据挤出螺杆的工作特性，确定花键互相关联的尺寸数据，使采用花键进行连接的分段挤出螺杆继续满足整体挤出螺杆的工作强度需求，确保分段式挤出螺杆的整体性能。

技术领域

本发明涉及机械设计技术领域，尤其涉及一种用于分段式挤出螺杆连接的花键设计方法。

背景技术

挤出螺杆作为聚合物加工成型的主要设备之一，在聚合物加工行业得到越来越广泛的应用，而且在其他行业也将得到更多的应用。挤出螺杆具有优越的生产性和混炼性，并能用于工程塑料的改性，因而，受到广大用户的青睐，因此促进了各类新型挤出螺杆研发的热潮，以满足高品质高性能工程塑料产品的需要。

在挤出螺杆的工作过程中，挤出螺杆与机筒的磨损无法避免，由于挤出螺杆本身的结构与加工复杂性导致其制造成本高，且挤出螺杆一旦出现局部严重磨损，导致生产达不到规定要求后，整套挤出螺杆系统都需要更换，随之就会造成挤出螺杆的使用成本的增加。

通常对于挤出螺杆磨损的解决方法为强化其表面硬度，以提高其耐磨性能。但表面强化处理价格昂贵，并且在挤出螺杆局部损坏之后，必须连同其余完好的部分一起丢弃，导致成本增加，资源浪费。

而分段式挤出螺杆可在某段挤出螺杆损坏后，只需更换损坏部分，而剩余完好部分可以保留继续使用，有效节省成本。分段式挤出螺杆的相邻段之间大多采用外花键与内花键套接的形成连接，如图1所示，第一段螺杆1与第二段螺杆2之间采用内外花键4套接，第二段螺杆2与第三段螺杆3之间采用内外花键5套接，并依次类推。因此内外花键的设计数据是分段式挤出螺杆构成整体的关键，由于挤出螺杆的工作特性，常规花键设计方法无法满足分段式挤出螺杆连接的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于分段式挤出螺杆连接的花键设计方法，本方法依据挤出螺杆的工作特性，确定花键互相关联的尺寸数据，使采用花键进行连接的分段挤出螺杆继续满足整体挤出螺杆的工作强度需求，确保分段式挤出螺杆的整体性能。

为解决上述技术问题，本发明用于分段式挤出螺杆连接的花键设计方法包括如下步骤：

步骤一、定义花键参数，设外花键齿根圆直径为d，齿高为h，花键长度为L，花键齿数为n，齿宽为b，挤出螺杆分段处的截面直径为D，内花键齿根圆直径为(d+h)/2；

步骤二、根据第三强度理论σ₁-σ₃≤[σ]，式中σ1和σ3分别为花键在复杂应力状态下的最大主应力和最小主应力，[σ]为花键的许用应力，计算外花键齿根圆直径d，

外花键所受切应力表示为：

内花键所受切应力表示为：

其中，

同时兼顾内花键与外花键的强度，使其所受应力相等，则有：

τ_外＝τ_内

整理得到：

根据式(1)中h的不同取值，得到一组关于d与D的比值，即外花键齿根圆直径d与挤出螺杆分段处的截面直径D的比值；

步骤三、花键齿数n和外花键齿根圆直径d决定齿宽b的取值，齿宽b表示为：

花键齿数n所对应的切应力表示为：